大型高精度消像旋机构的设计与验证

在大口径望远镜巡天观测中,需要成像相机对指定天区长时间曝光,受地球自转的影响,长曝光图像会产生旋转现象。消像旋机构是为了抵消地球自转对成像质量的影响,使成像光斑在相机上位置稳定、能量集中。墨子巡天望远镜采用相机旋转的方式实现消像旋功能,消像旋机构要求具备承载能力≥250 kg、转速>20′/s和角定位精度≤2″。本文通过对影响消像旋机构承载能力、转动速度和定位精度的因素分析,采用高精度转台轴承结合轻量化转轴实现了高精度和高刚度轴系设计,轴系晃动为1.9″。传动系统采用谐波减速器结合圆柱直齿轮副两级传动,实现了低转速和高角分辨率。利用双读数头绝对式圆光栅测量转角误差并进行位置控制补偿,实现了角定位精度优于1.1″。墨子巡天望远镜成像图像在经过消像旋机构补偿后,光斑能量集中、无画圆,实现了高质量成像的目标。

某光电系统消像旋组件谐振频率分析

消像旋组件作为周视光电系统的重要组成部分,机电伺服控制的稳定性和精度是消像旋组件的关键指标。本文基于多体动力学的理论,对轴系的谐振频率进行了详细的公式推导,并借助动力学仿真软件辅助计算,同时对实物进行实际扫频验证,结果基本满足理论计算要求。本文的分析能够为伺服控制的机电设计提供可靠的依据,能够有效的缩短产品的研制周期。

离轴三反消像散多光谱相机调焦系统设计

空间环境的恶劣经常导致航天相机的成像平面偏离焦平面产生离焦,从而影响遥感成像质量。本文针对某航天离轴三反消像散多光谱相机设计了一种调焦系统对成像平面的离焦进行有效补偿。首先,分析了相机的离轴三反消像散光学系统和CCD焦平面的特点,确定调焦方式并阐述调焦系统工作原理。然后,介绍了调焦系统构成以及调焦控制器环境适应性、步进电机力矩选择、调焦传动机构的设计参数和位置编码器,推导出了调焦精度与调焦机构参数及编码器分辨率的关系,分析了调焦系统所能达到的调焦精度。最后,通过调焦系统测试了调焦行程内CCD焦平面直线位置与编码器码值的对应曲线。对闭环控制方式测试数据的计算分析显示,闭环调焦精度在3σ情况下为±3.11μm,满足相机调焦控制精度±10μm的要求。

消像差光栅的理论及实验研究

对消像差光栅进行了理论和实验研究。用光程函数和费马原理研究光栅的成像,用刻槽分布函数表示光栅的刻槽曲率及间距变化。对成像的理论分析表明光栅刻槽分布函数比刻槽间距更容易表达像差,给出了消像差光栅的表达形式。比较了SD、WFA、LPF等光栅的参数优化方法。探讨了消像差光栅密度的干涉测量法,设计了光路,对光栅密度进行了测量。

交叉型消像散Czerny-Turner结构光谱仪设计

以相对孔径为1∶8,工作波段为780～1 014 nm为初始光学参数,首次推导出交叉型Czerny-Turner(C-T)结构光谱仪的一阶消像散条件,搭建了交叉型消像散C-T结构和交叉型消彗差C-T结构。利用ZEMAX软件对两种初始结构进行了优化和比较。结果表明:交叉型消像散C-T结构具有更优越的光学性能,其均方根半径仅是消彗差C-T结构的12%～52%。消像散C-T结构不仅在沿狭缝方向上能量更为集中,利于设计大聚光能力的分光系统,而且在沿垂直于狭缝方向上点斑更小,具有更高的光谱分辨率。

消像差条件在共形光学系统中的应用

根据轴对称光学系统中的消像散条件探讨了共形整流罩结构中消像散万向节点位置的存在性.在此基础上,对共形光学系统中消像差万向节点位置进行了理论推导.软件分析结果表明,轴对称光学系统消像差条件对于共形光学系统的设计仍有良好的指导意义,由此得到的"消像差"共形光学系统的残余像差已处于实际成像系统的像差校正能力范围之内.

失调三反消像散光学系统像差特性

文中以矢量波像差理论为基础,对TMA光学系统的失调像像差特性进行分析,通过分析发现失调TMA系统的初级球差在全视场内为常量,彗差在全视场内的方向与量值均为常量,由失调引入的像散表现为失对称性、像散值与视场成线性,其零点位于中心视场。在校正失调产生彗差时,TMA系统像散零点位于轴上视场,像差接近于零,而边缘视场的像散依然较大,因此在TMA系统的装调过程中,需要测量多个视场的波像差。在同样情况下若轴上视场测量到像散,则是由于主镜的面形误差导致而非系统失调引起。利用CODE V对失调TMA系统的失调像差分布进行仿真,结果表明,利用矢量波像差理论可以对失调TMA系统的像差进行定性分析,以提高TMA系统的装调效率。

宽谱段消像散Czerny-Turner光谱仪光学系统设计

针对光谱仪小型化、高分辨率的发展趋势，设计了一种结构简单、宽谱段、消像散的小型光谱仪。具体分析了折叠光路Czerny-Turner光谱仪各种像差的原理和校正方法。推导了柱透镜宽谱段消像散的理论方程。作为实例，设计了一款谱段为300～900 nm、物方数值孔径0.08的小型光谱仪。该光谱仪采用折叠光路结构以减小尺寸，添加柱透镜以消除整个谱段的像散。结果表明：该光谱仪结构简单紧凑，体积小，实现了宽谱段的消像散，全谱段光谱分辨率优于0.5 nm。

潜望式瞄准镜中消像旋棱镜的装调工艺技术

当潜望式光学系统中反射镜绕机械轴转动时,影像会在视场中绕光轴旋转严重影响观瞄。消像旋棱镜可以使像产生反向转动从而消除这种影响。从探索潜望式瞄准镜中消像旋棱镜的装调工艺出发,通过对2种常用消像旋棱镜在光学系统中对光线折转的分析,提出了其光机装调过程的判断依据,总结了2种消像旋棱镜应用的装调工艺方法,并提出了在平行光路中检测消像旋棱镜固定前后的分辨率以保证成像质量。经过多个项目的验证,此方法能有效降低消像旋棱镜的装调难度,装调后消像旋棱镜光轴与系统基准轴偏差控制在30″以内。

K镜消像旋机构在海洋卫星水色仪中的应用

介绍了海洋卫星水色仪的K镜消像旋机构,分析了K镜消像旋原理,讨论了K镜转动机构在结构、转动轴系、谐振频率分配、力矩裕度、长寿命润滑以及驱动控制设计中解决的主要问题,并对K镜机构首次在轨应用结果进行了介绍。

某光测设备上消像旋的设计

地平式光电成像跟踪测量设备进行目标观测时,由于物像空间旋转而产生像旋,使目标提取和测量出错。为消除像旋,先建立了以球面三角和坐标变换为基础的像旋模型,对像旋模型中各个变量的关系进行了分析,并简介了目前几种常用的消像旋的方法,提出一种采用CCD相机旋转消像旋的设计思路,详细地描述了消像旋指标、单元结构和控制流程的设计过程,并在某光测设备上实现应用。厂内检测数据和在外场运行试验结果证明,采用CCD相机旋转消像旋的设计达到设计指标,满足设计要求,保证了光电跟踪测量设备对目标的准确提取和稳定跟踪。

满足消像散条件的Czerny-Turner光谱仪光路的防干涉设计

理论分析了准直镜和聚焦镜采用球面面型的Czerny-Turner光谱仪系统中由消像散条件引起系统发生光路与结构件干涉的现象。为了在设计阶段就克服这种干涉问题,提出了Czerny-Turner结构的防干涉设计条件。结合消像散条件及光路结构防干涉条件,总结出了Czerny-Turner光谱仪消像散优化和结构优化的设计步骤,提出了准直镜入射角θC和聚焦镜入射角θF的选定准则。对根据总结的设计步骤及入射角选定准则设计的光谱仪系统进行了光线追迹法验证,发现其既能满足消象散条件又不会发生光路与结构件的干涉现象,能满足航天遥感对其宽谱段、高分辨率的要求。

光谱仪用平场凹面光栅的凸面母光栅的消像差设计思路

平场全息凹面光栅是光谱仪中的核心元件之一,其成像质量和衍射效率直接影响了光谱仪的分辨率和光能利用率。利用凸面母光栅复制制作凹面光栅,便于在凸面基底上进行离子束刻蚀以获得高的衍射效率。为了保证复制的凹面光栅具有高的成像质量,文章提出一种全息凸面光刻胶光栅的消像差设计方法,优化中考虑了凸面基底对记录光束的折射效应以及由基底折射率所引入的附加光程。通过将"光程函数级数展开法"和ZEMAX光学设计软件相结合,采用粗精两步优化的方法,显著提高了优化的效率和成功率。ZEMAX对比仿真结果显示,复制得到的凹面光栅与传统直接采用全息法制作的凹面光栅的成像质量是相当的。

光学消像旋高精度位置控制

为消除齿轮传动的缺点,提出用位置控制来实现白光直瞄通道的光学消像旋。依据系统的像倾斜指标要求,设计出数字控制电路,采取PID控制算法进行软件设计,并通过了应用试验。实验结果证明:该设计能达到设计要求,具有高精度、可靠、对伺服影响小等优点。

消像差Offner成像光谱仪的研究进展

为了获得消像差Offner成像光谱仪,以三镜系统为基础综述了Offner成像光谱仪的各种消像差方法,介绍了由两块不同曲率半径凹面镜与凸面光栅构成的Offner成像光谱仪和狭缝与刻槽成不同方向的Offner成像光谱仪的消像差方法,并得到面内结构及正交结构两种成像光谱仪结构,其中正交结构在消像差方面更具优势,为获得高质量Offner成像光谱仪提供了理论基础。

一种基于FPGA的图像观瞄系统消像旋设计

针对现代武器观瞄系统显示图像旋转干扰操作手瞄准的问题,提出了一种基于FPGA的消像旋设计方案。该方案根据从平台姿态传感器获得的旋转姿态信息,对显示图像进行反向旋转,从而消除显示图像的旋转,方便操作手瞄准。该方案同时扩展了无极变焦功能,解决了操杆与显示分辨力不一致的问题,提高了武器观瞄系统的瞄准精确度。

结合三反消像散光学系统的中阶梯光栅光谱仪设计

中阶梯光栅因其具有高分辨率、高衍射级次和全谱闪耀等特性,能够实现宽波长范围内的高分辨率全谱直读,常用于天文光谱仪及高端商用光谱仪中.然而,中阶梯光栅的衍射因为级次重叠严重,需要交叉色散形成二维光谱成像于面阵探测器.使用单一成像镜的二维靶面成像很难保证像面像质均匀,进而造成全谱范围内分辨率差异大,特别是边缘波长处分辨率明显降低的问题.为解决这一难题,本文提出了一种结合三反消像散光学系统的折叠型中阶梯光栅光谱仪方案(echelle spectrometer with three-mirror anastigmat,ESTMA),以三反消像散光学系统的3面反射镜代替常规中阶梯光栅光谱仪设计中的单成像反射镜.复色光经过入射小孔后被离轴抛物面镜准直,再由中阶梯光栅色散,用反射棱镜进行交叉色散,最后由三反消像散光学系统成像于面阵探测器.设计光谱范围为200~600 nm,焦距为350 mm.设计通过Zemax光学设计软件进行仿真及优化,结果显示,相对于单成像镜设计,ESTMA方案的全谱范围内像斑大小均匀,点列图均方根半径小于1μm,全波段仿真分辨率小于30 pm.在自建的实验平台上进行验证,实验结果表明,系统在253.652 nm、365.015 nm、404.656 nm、435.833 nm、546.074 nm处的实测分辨率分别为23.42 pm、23.46 pm、27.20 pm、32.74 pm和40.92 pm,除中心波长以外的实测波长分辨率显著优于单成像反射镜设计的理论分辨率,光谱仪的分辨率整体提升.

DCG全息图的消像与再显影技术

在DCG材料记录与消像机理的基础上,通过实验分析确定了后处理过程中最佳的水洗消像和异丙醇逐步脱水干燥的显影技术,实现了DCG全息图彻底“消像”以及记录信息的重新清晰再现.由此展现出了DCG在信息隐藏方面的应用前景.

消像散的自由曲面棱镜光谱仪光学系统设计

本文根据像差理论,开发了一种计算次镜外反射的Offner型自由曲面棱镜光谱仪初始结构的算法。通过光线追迹获得光线在次镜外反射Offner型光谱仪各光学表面传播的公式,该公式可以确定光学元件的结构参数。应用轴外细光束像散理论分析系统产生的像散,并设定合理阈值作为结构算法的判断依据。在Matlab中迭代优化出符合设计要求的初始结构,使用Zemax软件对获得的初始结构进行优化。为验证算法效果,本文设计了光谱范围为380~780 nm,数值孔径为0.15,光谱分辨率为6 nm的自由曲面棱镜光谱仪的初始结构。在Zemax中完成优化后系统可达到设计指标且谱线弯曲和色畸变均优于0.1 pixels。设计结果表明采用本文算法可以快速计算出符合要求的初始结构,大大简化了后续优化的复杂程度。